2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ultrathin laminar nanosheet membranes with controlled 2-D channel structure for organic solvent filtration
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22H01849
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
中川 敬三 神戸大学, 科学技術イノベーション研究科, 准教授 (60423555)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松山 秀人 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50181798)
吉岡 朋久 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50284162)
Guan Kecheng 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 助教 (10912446)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ナノシート積層膜 / 有機溶剤ナノろ過 / 酸化グラフェン / MOFナノシート / ポルフィリン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では種々のナノシート材料を支持膜上に積層することによって超薄型有機溶剤ろ過膜を作製し，2-Dチャネル内での有機溶剤透過メカニズムの解明および溶剤―溶質，溶剤―溶剤分離の検証を行う．有機架橋分子を層間に導入し，2-Dチャネル内での化学的相互作用を評価することで積層構造を精密に制御し，透過性や阻止性に寄与する因子を明らかにする．これにより革新的な高透過性ナノシート積層型有機溶剤ろ過膜を実現し，膜工学分野における新たな基礎学理を構築する．
R5年度の研究では，GOナノシート積層膜のチャネル構造の制御を目的として，GO層間における金属有機構造体(MOF)ナノシートの形成，またGO層間への二次元物質であるポルフィリン分子の導入に関する検討を行った．
1. MOF-GO複合積層膜は，GO層間におけるZnOナノ粒子のソルボサーマル合成とGO層間の制限された2-Dチャネル内でのZnOからZn-TCPPへのin-situ変換を利用した2段階の方法で作製した．ZnOの合成時間や担持量を最適化することにより，2-Dチャネル内でZn-TCPPの優先配向が示され，水分子の透過パスが短くなり，19.0 L m-2 h-1 bar -1という高い透水性と高いアニオン性色素阻止率を達成した．またメタノールなどアルコール系溶媒への応用も可能であることを確認した．
2. GO積層膜へのポルフィリン(TPP: 5,10,15,20-Tetraphenylporphyrin)分子の導入によるOSN性能への影響について検討した．GO+TPP積層膜において，X線回折測定により積層構造に由来する回折ピークが観察され，TPP修飾により層間隔がわずかに増加することが確認された．またOSN性能を評価したところ，メタノール透過性が増加し，メタノール中のビタミンB12の阻止率は90%以上に向上した．TPP修飾により層間隔の拡大による流量の増加と，2Dチャネル内に部分的な立体障害が生まれたことによる分子ふるい効果の向上によるものと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はGO層間における金属有機構造体(MOF)ナノシートの形成，またGO層間への二次元物質であるポルフィリン分子の導入に関する検討を行った．GO層間で優先配向されたZn-TCPPナノシートの形成により，高い透水性とアニオン性色素の阻止性が達成された．またGO積層膜へのTPP修飾により，メタノール透過性と阻止性の向上に寄与することがわかった．このようにGO積層構造への新たなMOFナノシートの形成や二次元物質の導入といったアプローチにより，膜性能の向上に関する基礎的な知見が得られ，おおむね順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
GO積層膜へのTPP修飾により膜性能が向上する知見が得られたが，TPP分子には異なる官能基を有する化合物が複数あり，それらをGO層間に同様に修飾した場合，2-Dチャネル内での有機溶剤との相互作用が膜性能に影響する可能性が考えられる．令和６年度では，GO+TPP積層膜におけるTPP分子の種類の検討や構造解析，膜性能評価を基に，OSN性能に寄与する因子の解明を検証する．
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[Presentation] Improved photocatalytic activity of g g-C3N4/HNb HNb3O8 nanosheetnanosheet-based photocatalytic membrane by addition of graphene oxide2023
Author(s)
Kana MORIGUCHI, Keizo NAKAGAWA, Chechia HU, Takashi TACHIKAWA, Tomohisa YOSHIOKA, Tooru KITAGAWA, Yasunao OKAMOTO, Atsushi MATSUOKA, Eiji KAMIO, S.C.E. TSANG, Hideto MATSUYAMA
Organizer
The 12th International Conference on Separation Science and Technology (ICSST23)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of laminar HNb3O8/g-C3N4 nanosheet photocatalytic membrane reactor with two-dimensional heterostructured nanochannels,2023
Author(s)
K. Nakagawa, S. Imoto, C. Hu, T. Yoshioka, T. Shintani, A. Matsuoka, E. Kamio, T. Tachikawa, S.C.E. Tsang, H. Matsuyama
Organizer
13th International Congress on Membranes and Membrane Processes (ICOM2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of laminar silicate nanosheet membranes for separation of anionic organic dyes2023
Author(s)
Masaki Okamoto, Hiromu Kashiwazaki, Keizo Nakagawa, Tomohisa Yoshioka, Takuji Shintani, Hirotake Kitagawa, Noriyuki Takakuma, Ryousuke Takagi, Atsushi Matsuoka, Eiji Kamio, Hideto Matsuyama
Organizer
13th International Congress on Membranes and Membrane Processes (ICOM2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Effects of rGO introduction on photocatalytic activity and membrane performance for g-C3N4/HNb3O8 nanosheet photocatalytic membranes2023
Author(s)
Kana Moriguchi, Keizo Nakagawa, Chechia Hu, Takashi Tachikawa, Tomohisa Yoshioka, Tooru Kitagawa, Yasunao Okamoto, Atsushi Matsuoka, Eiji Kamio, Shik Chi Edman Tsang, Hideto Matsuyama
Organizer
13th International Congress on Membranes and Membrane Processes (ICOM2023)
Int'l Joint Research
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